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rust嵌入式开发零基础入门教程(二)

news 2025/7/26 10:08:08

本教程的第二部分，我们将深入理解 Rust 语言的核心概念——所有权（Ownership）、借用（Borrowing）和生命周期（Lifetimes）。这些是 Rust 内存安全的基础，也是初学者理解 Rust 最关键的部分。理解它们后，我们还将探讨如何准备一块实际的开发板，为真正点亮 LED 做准备。

4. Rust 核心概念：所有权、借用和生命周期

Rust 最大的特点就是它的内存安全模型，它在编译时而不是运行时进行内存管理，从而避免了 C/C++ 中常见的内存错误，如空指针引用、数据竞争等。这主要通过三个核心概念实现：所有权、借用和生命周期。

4.1 所有权 (Ownership)

所有权是 Rust 的核心特性。 每个值在 Rust 中都有一个所有者 (owner)。

规则 1： 每个值都有且只有一个所有者。
规则 2： 当所有者超出其作用域 (scope) 时，值会被丢弃 (dropped)，其内存也会被自动回收。

示例：

fn main() {let s1 = String::from("hello"); // s1 拥有 "hello" 这个字符串数据let s2 = s1; // 这里发生了“移动”（move），s1 的所有权被转移给了 s2// println!("{}", s1); // 错误！s1 已经不再拥有数据了，会报错：value borrowed here after moveprintln!("{}", s2); // 正确，s2 现在是数据的所有者
} // s2 超出作用域，"hello" 内存被释放

在嵌入式开发中，这意味着你不再需要手动调用 free() 或 delete，也不用担心忘记释放内存而导致内存泄漏。Rust 编译器会在编译时替你处理好这一切。

4.2 借用 (Borrowing)

如果你不想转移所有权，但又需要使用某个值，该怎么办？这就是借用的作用。你可以通过引用 (&) 来借用一个值，而不是转移它的所有权。

规则 1： 在任意给定时间，你只能拥有一个可变引用 (&mut T) 或任意数量的不可变引用 (&T)。
规则 2： 引用必须总是有效的。

示例：

fn main() {let mut s = String::from("hello"); // s 是可变的 String// 不可变借用：可以有多个let r1 = &s; // r1 借用了 slet r2 = &s; // r2 也借用了 sprintln!("{} and {}", r1, r2); // 正确，可以同时使用多个不可变引用// s 和 r1, r2 不再被使用后，这些不可变借用结束// 可变借用：只能有一个let r3 = &mut s; // r3 可变地借用了 sr3.push_str(", world!"); // 可以通过 r3 修改 s 的值println!("{}", r3); // 正确// println!("{}", s); // 错误！当 r3 还在活跃时，不能再使用 s，因为可变借用是独占的。// 如果这里需要使用 s，r3 必须先不再被使用或超出作用域。
}

在嵌入式开发中，借用规则对于硬件寄存器访问和**共享资源（如外设）**的管理至关重要。它能防止你在同一时间对同一个寄存器进行不安全的并发修改，或者在读取的同时又尝试写入。

4.3 生命周期 (Lifetimes)

生命周期是 Rust 编译器用来确保所有借用都是有效的机制。 它们表示引用能够保持有效的作用域。

规则： 引用的生命周期不能超过其所引用值的生命周期。

示例：

fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {if x.len() > y.len() {x} else {y}
}fn main() {let string1 = String::from("abcd");let string2 = "xyz"; // 字面量 'static 生命周期// 这里，longest 函数返回的引用，其生命周期会是 string1 和 string2 中较短的那个。// 'a 标注确保了编译器在编译时检查引用的有效性。let result = longest(&string1, &string2);println!("The longest string is {}", result);
}

在嵌入式开发中，生命周期通常在处理外设驱动程序或裸机内存区域时显得尤为重要。例如，如果你有一个引用指向某个外设寄存器，生命周期会确保这个引用在寄存器被释放或重置之前一直是有效的，从而避免访问已经不存在的内存。

5. 准备你的实际开发板

现在你对 Rust 的核心概念有了基本理解，是时候准备一块真实的微控制器板，让你的 Rust 代码在硬件上跑起来了！

5.1 选择一块开发板

对于初学者，我强烈推荐使用一个内置调试器的开发板，例如：

STM32 Nucleo 系列： （推荐，价格适中，资料丰富，有内置 ST-Link 调试器）
- 例如：STM32F401RE Nucleo-64 或 STM32F411RE Nucleo-64。它们通常基于 Cortex-M4 处理器。
STM32 Discovery 系列： 功能更强大，也通常内置调试器。
Microbit (V2)： 尽管它内置调试器（DAPLink），但其 Cortex-M4F 处理器相对较小，且生态系统更偏向教育。
Raspberry Pi Pico： 基于 RP2040 (双 Cortex-M0+)，价格非常便宜，内置调试（DAPLink）支持，生态也发展迅速。

购买建议： 如果你还没有开发板，**一块带有 ST-Link 或 DAPLink 调试器的 STM32 Nucleo/Discovery 板是一个非常好的起点。**它们可以直接通过 USB 连接到电脑进行烧录和调试，无需额外购买调试器。

5.2 安装板级工具和驱动

一旦你有了开发板，你需要安装一些工具和驱动程序，以便你的电脑能与开发板通信。

安装板级驱动：
- ST-Link 驱动 (针对 STM32 Nucleo/Discovery)： 访问 STMicroelectronics 官网，搜索并下载安装 ST-Link 驱动。
  - Windows 用户通常需要安装驱动。
  - Linux 和 macOS 通常自带 libusb，但可能需要安装额外的 udev 规则来允许非 root 用户访问 USB 设备（具体请搜索 "ST-Link udev rules Linux"）。
- DAPLink / J-Link 驱动 (如果你使用 Microbit V2 或其他)： DAPLink 通常是免驱动的，因为它模拟了一个 USB 大容量存储设备。J-Link 需要安装 SEGGER 提供的驱动。
安装 openocd (开放片上调试器)： openocd 是一个用于调试和烧录微控制器的开源工具。
- Linux (Debian/Ubuntu): sudo apt install openocd
- macOS (Homebrew): brew install openocd
- Windows: 从 OpenOCD 的 GitHub 页面或官方下载渠道获取预编译的二进制文件，并将其路径添加到系统环境变量 PATH 中。
验证 openocd 安装： 将你的开发板通过 USB 线连接到电脑，然后在终端中运行：
```
openocd --version
```
如果显示版本号，说明安装成功。要测试它是否能识别你的板子，你可以尝试运行针对你板子的配置命令（例如：openocd -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f4x.cfg，具体配置取决于你的板子型号）。

5.3 烧录和调试工具的额外配置 (可选但推荐)

在 第一部分 我们安装了 probe-run，它是一个方便的工具，可以结合 openocd 和 GDB 来直接烧录和运行 Rust 嵌入式程序。

确保 .cargo/config.toml 文件中配置了 runner。如果你使用了 cortex-m-quickstart 模板，这个文件通常已经配置好了，类似这样：

Ini, TOML

# .cargo/config.toml
[build]
target = "thumbv7em-none-eabihf" # 或者你的目标[target.thumbv7em-none-eabihf] # 或者你的目标
runner = "probe-run --chip STM32F401RETx" # 替换为你的芯片型号# 例如：STM32F411RETx, nRF52840 etc.

如何找到你的芯片型号？ 通常印在微控制器芯片本体上，或者查看开发板的说明书。例如，STM32F401RE Nucleo-64 板上是 STM32F401RET6。你只需要提供前缀，例如 STM32F401RETx。